(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
β型窒化珪素と、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム換算で０．０３〜７．０ｍｏｌ％と、ルテチウム（Ｌｕ）を酸化ルテチウム換算で０．１５〜１．０ｍｏｌ％と、イットリウム（Ｙ）を含みルテチウム（Ｌｕ）を含まない希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種類の元素をその酸化物換算で０．１３〜０．９０ｍｏｌ％と、をそれぞれ含有し、前記β型窒化珪素の所定格子面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合から定まる厚さ方向に垂直な面内における配向割合を示し式（１）で表される面内配向度ｆａが０．４〜０．８であり、
前記厚さ方向の破壊靱性Ａが６．０ＭＰａ・ｍ１／２以上、前記面内方向の破壊靱性Ｂが３．０ＭＰａ・ｍ１／２以上、かつ１．４８８≦Ａ／Ｂ≦１．７１４３、厚さ方向の熱伝導率が１０５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする窒化珪素基板。
ｆａ＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）  ・・・（１）
式（１）において、Ｐは、式（２）で表され、前記窒化珪素基板における前記β型窒化珪素の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味し、Ｐ０は、式（３）で表され、β型窒化珪素粉末における前記β型窒化珪素の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味している。
Ｐ＝（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０））／（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（１０１）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（２０１）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０）＋Ｉ（００２））  ・・・（２）
Ｐ０＝（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０））／（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（１０１）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（２０１）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０）＋Ｉ'（００２））  ・・・（３）
【請求項２】
請求項１に記載の窒化珪素基板の製造方法であって、含有酸素量２．０質量％以下のα型窒化珪素原料粉に、β分率が３０〜１００％で、酸素含有量が０．５質量％以下、平均粒子径が０．２〜１０μｍ、アスペクト比が１０以下であるβ型窒化珪素質粉末５〜１０質量％を添加するとともに、酸化ルテチウムを０．４〜１．１ｍｏｌ％、酸化マグネシウムを１．７０〜７．０ｍｏｌ％、前記酸化ルテチウム以外でイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素の酸化物を０．４〜１．４ｍｏｌ％配合し、成形体となした後、１９００〜１９５０℃の温度で０．５〜１．０ＭＰａの窒素加圧雰囲気にて５〜３０時間焼結することを特徴とする窒化珪素基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化珪素基板と、前記窒化珪素基板の一面に接合された金属回路板と、前記窒化珪素基板の他の面に接合された金属放熱板とからなることを特徴とする窒化珪素配線基板。
【請求項４】
請求項３記載の窒化珪素配線基板と、前記窒化珪素配線基板に搭載された半導体素子とからなることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度で電気絶縁性と高熱伝導性に富んだ窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板及びその製造方法に関する。また、本発明は、上記窒化珪素基板を用いた窒化珪素配線基板及び半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる絶縁性セラミックス基板の一方の面（上面）に回路となる導電性金属板を接合し、他方の面（下面）に放熱用の金属板を接合したセラミックス配線基板が広く用いられている。この金属板としては、銅板又はアルミニウム板等が使用されている。そして、回路となる導電性金属板の上面には、半導体素子等が搭載される。また、セラミックス基板と金属板との接合はろう材による活性金属法や銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法が採用されている。【０００３】
しかしながら、金属回路板及び金属放熱板をセラミックス基板に接合したセラミックス回路基板を用いたパワー半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属回路板及び金属放熱板の厚さを０．３〜０．５mmと比較的厚くしている場合が多く、特に金属回路板及び金属放熱板に熱伝導率の高い銅を用いた場合、熱膨張率が大きく異なるセラミックスと金属を接合すると、接合後の冷却過程で熱応力が発生する。この応力はセラミックス基板の接合部付近で圧縮と引張りの残留応力として存在する。この残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせたり、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属回路板及び金属放熱板の剥離の発生原因となる。【０００４】
この点で窒化アルミニウム基板は、セラミック基板としては高い熱伝導性を有するが、機械的強度が低いため強度面での信頼性は低いことから、適用は困難である。それに対して、窒化珪素基板は、高い熱伝導率を有し、かつ機械的強度、破壊靭性及び耐熱疲労特性に優れていることから注目され、以下に示すように種々提案されている。【０００５】
まず、従来の窒化珪素基板には、窒化珪素を８６〜９９ｍｏｌ％、イットリウム（Ｙ）及びランタノイド属の希土類元素からなる群から選択される１種以上を酸化物換算で１〜１０ｍｏｌ％、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）又はハフニウム（Ｈｆ）から選択される１種以上を酸化物換算で０〜４ｍｏｌ％それぞれ含有し、アルミニウム（Ａｌ）含有量が１０００ｐｐｍ以下であり、しかも窒化珪素におけるβ型窒化珪素の割合が３０％以上の窒化珪素組成物を、１ＭＰａ以下の窒素加圧雰囲気中、温度１７００〜２０００℃で焼成することにより製造したものがある（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。【０００６】
また、従来の窒化珪素基板には、窒化珪素原料粉末に、焼結助剤及び種結晶とするβ型窒化珪素を加えて得られる混合粉末を分散媒に分散してスラリーを調製し、これを成形して得られるβ型窒化珪素を面内に配向させた窒化珪素成形体を、脱脂した後、緻密化し、さらに、１〜１００気圧の窒素雰囲気中、１７００〜２０００℃で焼結することにより製造されるものもある。この窒化珪素基板は、一方向に窒化珪素結晶が配向した組織を有し、結晶の配向方向に対して１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導性を有している（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。【０００７】
さらに、従来の窒化珪素基板には、酸素（Ｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）の含有量の合計が１０００ｐｐｍ以下であり、かつ、短軸径が２μｍ以上である窒化珪素粒子を含有し、しかも短軸径が２μｍ以上である窒化珪素粒子が面内方向又は厚さ方向に配向しているものもある（例えば、特許文献３参照。）。以下、この技術を第３の従来例と呼ぶ。
【特許文献１】特開２００２−２９８４９号公報（請求項３，［００１９］〜［００３１］）
【特許文献２】特開平９−１６５２６５号公報（請求項１，［０００９］〜［００１３］）
【特許文献３】特開２００１−１９５５５号公報（請求項１，［００１１］，［００１６］〜［００２３］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した第１の従来例による窒化珪素基板からなる窒化珪素基板は、β型窒化珪素の配向については何ら考慮されていないため、熱伝導率や破壊靭性を向上させるには限界がある。この点、上記した第２及び第３の従来例のように、β型窒化珪素を配向させることにより、熱伝導率や破壊靭性を向上させることができる。何故なら、配向方向では熱伝導において抵抗となる結晶粒界が減少することにより高熱伝導性が発現するからである。一方、破壊靭性は、β型窒化珪素の配向によってクラックの偏向が生じやすくなり、配向方向と垂直な方向のクラックの進展を抑制することができるからである。【０００９】
しかし、上記した第２及び第３の従来例において、図７に示すように、窒化珪素基板１の面内方向の配向度（以下、「面内配向度」と称する。）ｆａが高すぎる（図７の例では、面内配向度ｆａ；約１）と、面内方向に熱伝導率が高くなる分、厚さ方向の熱伝導率が低くなる。これにより、この窒化珪素基板からなる窒化珪素基板の一面に金属回路板を、他面に金属放熱板をそれぞれ接合してなる窒化珪素配線基板に半導体素子を搭載して構成される半導体モジュールの低熱抵抗化を達成することができない。尚、面内配向度ｆａの意義については後述する。
一方、上記した第３の従来例において、図８に示すように、窒化珪素基板２の厚さ方向の配向度が高すぎる（図８の例では、面内配向度ｆａ；約−１）と、厚さ方向の熱伝導率は高くなるが、面内方向の熱伝導率が低くなる。また、厚さ方向の破壊靭性が低くなるため、上記窒化珪素配線基板を作製する時に銅（Ｃｕ）からなる金属回路板の接合温度（約８００℃）からの冷却過程又は、半導体モジュールを稼動する時の加熱冷却サイクルにおいて、銅と窒化珪素の熱膨張率の差に起因して熱応力が発生し、図９に示すように、窒化珪素基板３１に接合した金属回路板３２の外周部から窒化珪素基板３１へ入るクラックが進展しやすい。このため、金属回路板３２の剥離が起こりやすく、窒化珪素配線基板３４の信頼性が低い。結局、従来の窒化珪素基板では、面内配向度ｆａと熱伝導率及び破壊靭性に係る問題について言及し、またこれらの問題を解決する手段を開示したものは見当たらない。
尚、図９では、窒化珪素基板３１の上面に金属回路板３２を、下面に金属放熱板３３をそれぞれ接合して窒化珪素配線基板３４を構成し、金属回路板３２の上面に半導体素子３５を搭載して半導体モジュール３が構成されている。【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、上述のような課題を解決することができる窒化珪素基板、その製造方法、それを用いた窒化珪素配線基板及び半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る窒化珪素基板は、β型窒化珪素と、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム換算で０．０３〜７．０ｍｏｌ％と、ルテチウム（Ｌｕ）を酸化ルテチウム換算で０．１５〜１．０ｍｏｌ％と、イットリウム（Ｙ）を含みルテチウム（Ｌｕ）を含まない希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種類の元素をその酸化物換算で０．１３〜０．９０ｍｏｌ％と、をそれぞれ含有し、前記β型窒化珪素の所定格子面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合から定まる厚さ方向に垂直な面内における配向割合を示し式（１）で表される面内配向度ｆａが０．４〜０．８であり、前記厚さ方向の破壊靱性Ａが６．０ＭＰａ・ｍ１／２以上、前記面内方向の破壊靱性Ｂが３．０ＭＰａ・ｍ１／２以上、かつ１．４８８≦Ａ／Ｂ≦１．７１４３、厚さ方向の熱伝導率が１０５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴としている。
ｆａ＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）  ・・・（１）
式（１）において、Ｐは、式（２）で表され、前記窒化珪素基板における前記β型窒化珪素の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味し、Ｐ０は、式（３）で表され、β型窒化珪素粉末における前記β型窒化珪素の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味している。
Ｐ＝（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０））／（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（１０１）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（２０１）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０）＋Ｉ（００２））  ・・・（２）
Ｐ０＝（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０））／（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（１０１）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（２０１）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０）＋Ｉ'（００２））  ・・・（３）
【００１４】
また、本発明は上記した窒化珪素基板を得るための望ましい製造方法にも係る。即ち、請求項２記載の発明に係る窒化珪素基板の製造方法は、前記窒化珪素基板の製造方法であって、含有酸素量２．０質量％以下のα型窒化珪素原料粉に、β分率が３０〜１００％で、酸素含有量が０．５質量％以下、平均粒子径が０．２〜１０μｍ、アスペクト比が１０以下であるβ型窒化珪素質粉末５〜１０質量％を添加するとともに、酸化ルテチウムを０．４〜１．１ｍｏｌ％、酸化マグネシウムを１．７０〜７．０ｍｏｌ％、前記酸化ルテチウム以外でイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素の酸化物を０．４〜１．４ｍｏｌ％配合し、成形体となした後、１９００〜１９５０℃の温度で０．５〜１．０ＭＰａの窒素加圧雰囲気にて５〜３０時間焼結することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明に係る窒化珪素配線基板は、請求項１に記載の窒化珪素基板と、前記窒化珪素基板の一面に接合された金属回路板と、前記窒化珪素基板の他の面に接合された金属放熱板とからなることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明に係る半導体モジュールは、請求項３記載の窒化珪素配線基板と、前記窒化珪素配線基板に搭載された半導体素子とからなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、厚さ方向に高熱伝導で、かつ厚さ方向に高靭性の窒化珪素基板を得ることができる。このため、熱抵抗が低く、信頼性の高い窒化珪素配線基板を提供することができる。これにより、半導体モジュールの低熱抵抗化と高信頼性化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板では、上記β型窒化珪素の所定格子面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合から定まる上記窒化珪素基板の厚さ方向に垂直な面内における配向の割合である面内配向度ｆａは、０．４〜０．８である。ここで、面内配向度ｆａは、窒化珪素基板の上面にＸ線を照射することにより生じるＸ線回折線に基づいて、F. K. Lotgerlingによって与えられた式（１）で表される（F. K. Lotgerling: J. Inorg, Nucl. Chem., 9 (1959) 113.参照）。【００１８】
ｆａ＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）  ・・・（１）
式（１）において、Ｐは、式（２）で表され、窒化珪素基板の面内における図１に示すβ型窒化珪素粒子４の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味し、Ｐ０は、式（３）で表され、β型窒化珪素粉末における図１に示すβ型窒化珪素粒子４の（１１０）面、（２００）面、（２１０）面、（３１０）面及び（３２０）面のそれぞれのＸ線回折線強度の割合を意味している。
Ｐ＝（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０））／（Ｉ（１１０）＋Ｉ（２００）＋Ｉ（１０１）＋Ｉ（２１０）＋Ｉ（２０１）＋Ｉ（３１０）＋Ｉ（３２０）＋Ｉ（００２））  ・・・（２）
Ｐ０＝（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０））／（Ｉ'（１１０）＋Ｉ'（２００）＋Ｉ'（１０１）＋Ｉ'（２１０）＋Ｉ'（２０１）＋Ｉ'（３１０）＋Ｉ'（３２０）＋Ｉ'（００２））  ・・・（３）
窒化珪素基板はβ型窒化珪素の粗大な柱状粒子と微細な粒子を主成分として構成されているが、面内配向度ｆａは粗大な柱状粒子の向きによって決まる。面内配向度ｆａが０の場合は粗大な柱状粒子が無秩序に配置されているが、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板（面内配向度ｆａが０．４〜０．８）のように、面内配向度ｆａが０より大きい場合は窒化珪素基板の厚さ方向に対する長軸の傾きが４５°より大きい柱状粒子をより多く含んでいることを示しており、面内配向度ｆａの値が１に近いほど、窒化珪素基板の厚さ方向に対する柱状粒子の長軸の向きが９０°に近いことを示している。【００１９】
面内配向度ｆａが１である場合には、上記したように、窒化珪素基板に接合した金属回路板の外周部から窒化珪素基板へ入るクラックが進展しにくい（窒化珪素基板の厚さ方向への破壊靱性が高い）が、半導体素子から発生する熱が金属回路板から窒化珪素基板を経て金属放熱板に伝わりにくい（窒化珪素基板の厚さ方向への熱伝導率が低い）。これに対し、面内配向度ｆａが−１である場合には、上記したように、半導体素子から発生する熱が金属回路板から窒化珪素基板を経て金属放熱板に伝わりやすい（窒化珪素基板の厚さ方向への熱伝導率が高い）が、窒化珪素基板に接合した金属回路板の外周部から窒化珪素基板へ入るクラックが進展しやすい（窒化珪素基板の厚さ方向への破壊靱性が低い）。そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、面内配向度ｆａが０．４〜０．８である場合には、金属回路板から窒化珪素基板を経て金属放熱板に熱が伝わりやすい（窒化珪素基板の厚さ方向への熱伝導率が高い）とともに、窒化珪素基板に接合した金属回路板の外周部から窒化珪素基板へ入るクラックが進展しにくい（窒化珪素基板の厚さ方向への破壊靱性が高い）ことがわかった。即ち、面内配向度ｆａを０．４〜０．８にすることにより、窒化珪素基板の特に厚さ方向に対して、柱状粒子によるクラックの偏向が起こりやすく、厚さ方向の破壊靱性が面内方向の破壊靱性より大きくなる。また、熱伝導において抵抗となる粒界相の割合も厚さ方向に対して十分小さいため、厚さ方向の熱伝導率を高く保つことができる。そのため、６．０ＭＰａｍ１／２以上の上記厚さ方向の破壊靱性と９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の上記厚さ方向の熱伝導率を同時に達成できる方向にある。【００２０】
放熱性の良い窒化珪素配線基板を得るためには、金属回路板及び金属放熱板に熱伝導率の高い銅板を用いることが望ましい。しかしながら、接合温度（約８００℃）からの冷却過程又は、半導体モジュールを稼動する時の加熱冷却サイクルにおいて、銅と窒化珪素の熱膨張率の差に起因して熱応力が発生し、特に、窒化珪素基板の金属回路板外周部付近に、厚さ方向にクラックが進展しやすい。このクラックの進展を抑制するためには上記厚さ方向の破壊靱性が６．０ＭＰａｍ１／２以上にする必要があり、また、同時に面内方向の破壊靭性が極端に低い場合、クラックの厚さ方向への進展を抑えられても、面内方向に進展してしまうため、上記面内方向の破壊靱性は３．０ＭＰａｍ１／２以上とする必要がある。
また、より放熱性の良い窒化珪素配線基板を得るためには、厚さ方向の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板を用い、厚さが０．５ｍｍ以上の銅板を金属回路板及び金属放熱板に用いることが望ましい。厚さ方向の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするためには面内配向度ｆａを０．７以下にすることが望ましい。また、厚さが０．５ｍｍ以上の銅板を金属回路板及び金属放熱板に用いた場合、より大きな応力が窒化珪素基板に加わるため、厚さ方向の破壊靭性値を６．５ＭＰａｍ１／２以上とすることが望ましく、そのためには、面内配向度ｆａを０．５以上にすることが望ましい。これらの点から面内配向度ｆａは、０．５〜０．７とすることがより望ましい。【００２１】
また、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板は、β型窒化珪素を主成分とし、焼結助剤として、Ｍｇとルテチウム（Ｌｕ）及びＹを含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の希土類元素を含んでいる。焼結助剤として、Ｍｇを含有する場合、原料粉に焼結助剤としてＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が用いられることが多い。上述した面内配向度ｆａと熱伝導率及び破壊靭性に係る特徴的な作用効果について、前記した焼結助剤成分によって影響を受けるものではないと考えている。しかしながら、一方で更なる熱伝導率及び曲げ強度の向上を図る必要があること、また製造方法の観点から焼結助剤成分についても検討を行った。この点について特に、出発原料において添加する焼結助剤は、Ｍｇを主とする酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基とすることにより、その後の焼結性が向上し、かつ、ＭｇＯと酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）が特定量と特定比を持って複合的に介在することで高熱伝導、高靱性かつ高強度な窒化珪素基板を得ることができることがわかった。この理由は、粒界相に特定の組成比からなるガラス相を生成することで、粒界に沿ったクラックの進展を抑制することができるからである。ここで、焼結体中に含有するＬｕは、Ｌｕ２Ｏ３換算で０．１４〜１．３０ｍｏｌ％である。ＬｕがＬｕ２Ｏ３換算で０．１４ｍｏｌ％未満では、粒界相の組成が変動し、熱伝導率が低下する。一方、ＬｕがＬｕ２Ｏ３換算で１．３０ｍｏｌ％以上となると、焼結性が悪くなり強度不足となる。Ｌｕは、Ｌｕ２Ｏ３換算で、望ましくは、０．１５〜１．００ｍｏｌ％、さらに望ましくは０．２〜０．６ｍｏｌ％である。【００２２】
窒化珪素基板中に含有するＭｇは、ＭｇＯ換算で０．０３〜８．０ｍｏｌ％とする。ＭｇがＭｇＯ換算で０．０３ｍｏｌ％未満では、焼結助剤の作用として不十分で、焼結体密度が低密度となり、ＭｇがＭｇＯ換算で８．０ｍｏｌ％以上では、粒界ガラス相が多く残り低熱伝導率となる。Ｍｇは、ＭｇＯ換算で、望ましくは０．０４〜５．００ｍｏｌ％、さらに望ましくは０．０５〜１．５ｍｏｌ％である。希土類酸化物とともにＭｇＯを添加する利点は、液相生成温度を低下させ、焼結性を改善できることにある。そして、本発明の実施の形態では、出発原料中のＭｇＯの添加量は１．７０〜１０ｍｏｌ％とし、希土類酸化物との添加比（ＲＥｘＯｙ）／ＭｇＯを１以下、望ましくは０．３〜０．５とする。これにより、焼成過程の１７００℃前後では、Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎより成るガラス相を形成し、窒化珪素の焼結を促進する。その後１８００〜２０００℃の最高保持温度では、窒化珪素の緻密化が進むのと同時に、粒界相中のＭｇは、ＭｇＯとなり窒化珪素基板から揮発する。また、このとき、ＳｉもＳｉＯ２となって揮発する。焼結の進行に従い、粒界相中のＭｇ、Ｓｉが減少するため、融点の低い液相が減少する一方、Ｌｕが存在するため、高融点の粒界相が生成しやすくなる。
従って、焼結後の窒化珪素基板中のＭｇＯの含有量が減少した結果、０．０３〜８．０ｍｏｌ％となし、希土類酸化物との含有量比（ＲＥｘＯｙ）／ＭｇＯは、０．３〜９．５となすことが良い。【００２３】
焼結助剤としては、ＭｇとＬｕの複合添加が有用であるが、さらに、窒化珪素粒子に対する固溶度が小さく、熱伝導率を高い水準に保つことができる元素を、イットリウム（Ｙ）又はランタノイド属の希土類元素（ＲＥ）から選択して添加することが望ましい。例えば、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）から選択される少なくとも１種の希土類元素が挙げられる。そのうち、温度及び圧力が高くなり過ぎずに焼成ができる点で、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ及びＹｂが好ましく、特に、窒化珪素粒子内でナノ粒子化しやすく、そのナノ粒子が固溶しにくい点でＧｄが好ましい。上記希土類元素がＧｄである場合、窒化珪素基板中のＧｄの含有量は、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）換算で、０．１２〜１．３０ｍｏｌ％である。Ｇｄの含有量がＧｄ２Ｏ３換算で０．１２ｍｏｌ％未満では、窒化珪素粒子内でのナノ粒子の生成数が小さいため熱伝導率が低く、Ｇｄの含有量がＧｄ２Ｏ３換算で１．３０ｍｏｌ％以上では、窒化珪素が焼結し難く、低強度となる。Ｇｄの含有量は、Ｇｄ２Ｏ３換算で、望ましくは０．２〜１．２ｍｏｌ％、さらに望ましくは、０．２〜１．０ｍｏｌ％である。【００２４】
次に、この実施の形態に係る窒化珪素基板の製造方法について説明する。
まず、含有酸素量２．０質量％以下のα型窒化珪素原料粉を用いたのは、一般に、原料粉末の酸素量が高いほど窒化珪素質粒子内に固溶する酸素量が高くなるためである。即ち、窒化珪素粒子中に含有される酸素により熱伝導媒体であるフォノンの散乱が発生し、窒化珪素基板の熱伝導率が低下するため、α型窒化珪素原料粉の含有酸素量は、極力少なくし、２．０質量％以下、望ましくは、１．５質量％以下に抑える必要がある。さらに、この実施の形態では、種結晶としてβ型窒化珪素原料粉末を混合するが、窒化珪素質粒子内に固溶する酸素量は、成長核として用いるβ型窒化珪素原料粉末の酸素量に強く依存し、この酸素量が高いほど窒化珪素粒子内に固溶する酸素量が高くなる。よって、この実施の形態では、α型窒化珪素原料粉の含有酸素量を０．５質量％以下に抑えることが重要である。
また、窒化珪素質原料粉末中のＦｅ含有量及びＡｌ含有量がそれぞれ１００ｐｐｍを超えた場合には、窒化珪素粒子内にＦｅ又はＡｌが顕著に固溶し、固溶部分で熱伝導媒体であるフォノンの散乱を生じ、窒化珪素基板の熱伝導率を著しく低下させる。従って、原料粉末中のＦｅ含有量及びＡｌ含有量をそれぞれ１００ｐｐｍ以下に制御することも重要である。【００２５】
原料粉に添加する焼結助剤としては、Ｌｕ２Ｏ３を０．３５〜１．６０ｍｏｌ％、ＭｇＯを１．７０〜１０ｍｏｌ％、Ｌｕ２Ｏ３以外でＹを含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素の酸化物を０．３９〜１．５ｍｏｌ％の所定量を秤量し、これを上記窒化珪素原料粉に添加する。この原料粉に有機バインダー、可塑剤等を混入しボールミル等で均一に混合する。混合した原料スラリーを脱泡・増粘した後、これを従来公知のドクターブレード法で所定板厚にシート成形して成形体を得る。このシート成形体を焼結炉内で１７００〜２０００℃の温度、０．５〜１ＭＰａの窒素加圧雰囲気中で焼結する。焼成温度は、１５００℃以下の場合には、緻密化不足を起こし、２０００℃より高い場合には、粒成長が進みすぎてどちらにしても強度不足となる。最終的な焼成温度は、１８００〜２０００℃が望ましく、さらには１８５０〜１９５０℃である。また、焼成雰囲気に関しては、窒化珪素の分解を抑えるため、窒素圧が高い方が好ましいが１ＭＰａ以上では焼成炉の設備上のコスト負担が大きく好ましくない。他方０．５ＭＰａ以下では窒化珪素の分解が起きる。それ以上であれば良いが０．６〜０．９５ＭＰａの窒素加圧中が望ましい。【００２６】
焼成時間に関しては、５時間未満では緻密化不足が発生しやすく、５０時間を超える長時間の焼成はコスト的に問題がある。以上によって得られた焼結体を適宜加工して基板となしている。尚、焼結過程での揮発酸素量の調整は、焼結炉を２重に構成したり、その大きさを変化させて密閉度を調節する手段、また焼結時間を長くするほど酸素量は減少するので焼結時間で調節する手段、またあるいは詰め粉と言われる焼結雰囲気制御剤の投入量により調節する手段、またこれらの手段の組合わせをとることが考えられる。【００２７】
また、上記した製造方法において、β分率が３０〜１００％の窒化珪素粉末を１〜５０質量％添加する方法をとることが望ましい。β分率が３０〜１００％の窒化珪素質粉末の比率が１質量％未満では成長核としての効果はあるものの、添加量が少ないために作用する成長核の数が少なく、異常粒成長が起こりミクロ組織中に大きな粒子を均一分散できなくなり、曲げ強度が低下する。また、β分率が３０〜１００％の窒化珪素質粉末の比率が５０質量％を超えては成長核の数が多くなり過ぎ、粒成長の過程で粒子同士が互いに衝突するため成長阻害が起こり、強度は維持できるものの発達した柱状粒子からなる窒化珪素基板のミクロ組織を得られず、高い熱伝導率は困難となる。また、窒化珪素質原料粉末の平均粒子径が０．２μｍ未満では柱状粒子が均一に発達したミクロ組織を得られず、熱伝導率及び曲げ強度を高めることが困難である。窒化珪素質原料粉末の平均粒子径が１０μｍより大きいと焼結体の窒化珪素質の緻密化が阻害される。アスペクト比は１０を超えると窒化珪素基板の緻密化が阻害される。
本発明の実施の形態における特徴は、以上説明した焼結温度及び焼結時間からなる焼結条件、β型窒化珪素原料粉末の添加量、焼結助剤の出発組成を適宜調整することにより、本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板の面内配向度ｆａを０．４〜０．８に任意に設定することができることにある。より具体的には実施例により説明する。【００２８】
そして、このようにして作製した窒化珪素基板は、高強度、高靭性ならびに高熱伝導率の特性を生かして、高周波トランジスタ、パワーＩＣ等の回路用基板又はマルチチップモジュール用基板などの各種基板、あるいはペルチェ素子用熱伝板、または各種発熱素子用ヒートシンクなどの電子部品用部材に用いて好適である。窒化珪素基板は、例えば、半導体素子搭載用基板として用いた場合、半導体素子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルを受けたとき基板のクラックの発生が抑えられ、耐熱衝撃性並びに耐熱サイクル性が向上し、信頼性に優れたものとなる。また、高出力化及び高集積化を指向する半導体素子を搭載した場合でも、熱抵抗特性の劣化が少なく、優れた放熱特性を発揮する。【００２９】
この窒化珪素基板の一面又は両面にＣｕ回路板やＡｌ回路板をＤＢＣ（Direct Bonding Cupper）法や活性金属ろう材法等を用いて接合することにより、窒化珪素配線基板が作製される。ここで、ＤＢＣ法とは、窒化珪素基板と、Ｃｕ回路板又はＡｌ回路板とを不活性ガス又は窒素雰囲気中で共晶温度以上の温度に加熱し、生成したＣｕ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ共晶化合物液相を接合剤として回路板を窒化珪素基板の一面又は両面に酸化膜相を介して直接接合するものである。一方、活性金属ろう材法とは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）又はハフニウム（Ｈｆ）等の活性金属と低融点合金を作る銀（Ａｇ）、Ｃｕ等の金属を混合又は合金としたろう材を用いてＣｕ回路板やＡｌ回路板を窒化珪素基板の一面又は両面にろう材相を介して不活性ガス又は真空雰囲気中で加熱圧着接合するものである。回路板を接合した後、窒化珪素基板上のＣｕ回路板等をエッチング処理して回路パターンを形成し、さらに回路パターン形成後のＣｕ回路板等にＮｉ-Ｐメッキを施し、窒化珪素配線基板が作製される。【００３０】
（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。
平均粒径が０．７〜１．２μｍ、酸素量が０．５〜２．０質量％のα型窒化珪素質粉末を用意し、これにβ型窒化窒化珪素粉末を図２に示す量だけ添加した。添加したβ型窒化窒化珪素粉末の酸素含有量は０．５質量％以下、平均粒子径は０．２〜１０μｍ、アスペクト比は１０以下とし、上記の範囲であれば得られた窒化珪素基板の面内配向度ｆａは同等であった。さらに、焼結助剤としてＭｇＯ及びＬｕ２Ｏ３、適宜Ｇｄ２Ｏ３又はＹ２Ｏ３をそれぞれ酸化物換算で図２に示す量だけ添加して１００％となした出発原料を作製した。これに２質量％の分散剤（商品名：レオガードＧＰ）を配合し、エタノールを満たしたボールミル容器中に投入し、混合した。得られた混合物を真空乾燥し、次いで目開き１５０μｍの篩を通して造粒した。【００３１】
次に、アミン系の分散剤を２質量％添加したトルエン・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に作製した混合粉末及び粉砕媒体の窒化珪素製ボールを投入し、４８時間湿式混合した。次に、上記ポット中の混合粉末１００質量％に対しポリビニル系の有機バインダーを１５質量％及び可塑剤（ジメチルフタレート）を５質量％添加し、次いで４８時間湿式混合しシート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを調整後、ドクターブレード法により、図３に断面図を示すように、球状のα型窒化珪素粒子６２と柱状のβ型窒化珪素粒子６１及びバインダーと分散剤を主成分としたグリーンシート６を成形した。
次いで、成形したグリーンシート６を空気中４００〜６００℃で２〜５時間加熱することにより、予め添加した有機バインダー成分を十分に脱脂（除去）した。次いで、脱脂体を０．９ＭＰａ（９気圧）の窒素雰囲気中で１７００℃以上２０００℃以下の焼成温度で５〜５０時間の焼成を行い、その後室温に冷却した。焼結工程においては、昇温時１４００℃〜１９００℃の温度で１〜１０時間にわたる保持工程を設け、かつこの保持温度から上記焼結温度までの昇温速度を１．０〜５．０℃／ｍｉｎとした。得られた窒化珪素焼結体シートに機械加工を施し、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの半導体モジュール用の窒化珪素基板を製造した。個々の試料の製造条件は、図２の実施例１〜１０の欄に示す。窒化珪素基板の厚さは、０．２〜２．０ｍｍであることが望ましい。【００３２】
得られた窒化珪素基板中のＬｕ、Ｇｄ、Ｙ、Ｍｇの含有量をＩＣＰ分析により測定し、それぞれＬｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ換算での含有量を計算した。得られた窒化珪素基板の面内配向度ｆａを調べるために、Ｃｕ-Ｋα線でＸ線回折線を行い、各回折線の強度を測定した（理学電気製、ＲＩＮＴ-２５００）。この測定結果を図４に示す。
また、得られた窒化珪素基板について、以下に示すように、（１）破壊靭性（Ｋ１ｃ）及び（２）熱伝導率について測定した。
（１）破壊靭性（Ｋ１ｃ）
ＪＩＳ−１６０７に準拠して、窒化珪素質基板の側面にビッカース圧子を所定荷重（例えば、２ｋｇｆ）で押し込むＩＦ法で測定した。このとき、ビッカース圧子はビッカース圧痕の一方の対角線が基板の厚さ方向と垂直になるように押し込んだ。そして、図５に示すように、ビッカース圧痕の厚さ方向の対角線の長さ、上端部及び下端部から伸びるクラックの長さにより窒化珪素質基板の厚さ方向の破壊靱性を評価し、ビッカース圧痕の面内方向の対角線の長さ、左端部及び右端部から伸びるクラックの長さにより窒化珪素質基板の面内方向の破壊靱性を評価する。
（２）熱伝導率
窒化珪素基板から５ｍｍ角の測定用試料を切り出し、ＪＩＳ−１６１１に準拠して、測定した。【００３３】
次に、得られた窒化珪素基板を用いて窒化珪素配線基板及び半導体モジュールを作製した。窒化珪素配線基板の製造方法の二三の例は、以下のとおりである。まず、窒化珪素基板の両面に活性金属ろう材を印刷形成し、窒化珪素基板とほぼ同じ長方形状の銅板を両面に７５０℃で加熱接合し、冷却後、金属回路板及び金属放熱板が所定のパターンとなるように銅板をエッチングする。また、プレス加工により回路パターンとなる部分を一部の連結部で繋いだ一体ものの銅板を製造し、このパターン成形板を上記と同様に活性金属ろう材を印刷形成した窒化珪素基板に加熱接合し、最後に回路パターン間を繋ぐ連結部を切断して取り除き、窒化珪素配線基板となす。得られた窒化珪素配線基板の金属回路板上に半導体素子を半田接合した後、ワイヤボンディングを施し、半導体モジュールを得た。この半導体モジュールについて、以下に示すように（３）ヒートサイクル試験を行い、（４）熱抵抗を測定した。【００３４】
（３）ヒートサイクル試験（信頼性評価）
−５５℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分及び１５０℃における加熱を２０分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３０００サイクル繰り返し付与し、窒化珪素基板のクラックや金属回路板の剥離が発生するか否かを評価する。クラックの発生は蛍光探傷法を用いて行った。
（４）熱抵抗
半導体モジュールを高熱伝導グリースを介して２０℃に設定した水冷銅ジャケット上に設置し、半導体モジュールに電流１４Ａを投入し１秒後の半導体素子にかかる電圧の変化を測定した。予め測定しておいた半導体素子の温度と電圧の関係から素子温度の上昇値を求めることにより熱抵抗を測定した。
図６には、上記した図２に示す実施例１〜１０の製造条件に対応した評価結果を示す。【００３５】
（比較例）
図２の比較例１〜１１に示す焼結助剤の組成とした出発原料を用いて、それ以後の製造条件は実施例１〜１０と同様にして製造した。また、評価方法も実施例１〜１０と同様に行った。以上の製造条件により製造された試料の評価結果を、図６の比較例１〜１１に示す。【００３６】
図２において、実施例１は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．７５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；３．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；８．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。
面内方向の破壊靭性Ｋ１Ｃが３．０ＭＰａｍ１／２以上、厚さ方向の破壊靭性Ｋ１Ｃが６．０ＭＰａｍ１／２以上であるため、窒化珪素配線基板の作製時やヒートサイクル試験で発生する窒化珪素基板への熱応力によるクラックの進展を抑制でき、信頼性の高い半導体モジュールを構成することができた。また、厚さ方向の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い熱伝導率の窒化珪素基板を用いているため、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗が０．２℃／Ｗ以下となり、パワー半導体用の放熱基板とし十分に使用可能である値となった。【００３７】
実施例２は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．６２、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；７．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１２０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．１５℃／Ｗがそれぞれ得られた。【００３８】
また、実施例３は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｙ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；５質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４４、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１２５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。
実施例４は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．５ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．５ｍｏｌ％、ＭｇＯ；１０ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９００℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；４０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４２、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１００Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。【００３９】
さらに、実施例５は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｙ２Ｏ３；１．４ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９００℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；５質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４８、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．７ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１０５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。
実施例６は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；０．４ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；０．４ｍｏｌ％、ＭｇＯ；１．７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．５１、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．４ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１１０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。【００４０】
さらに、実施例７は、焼結助剤の出発組成をＧｄ２Ｏ３；３．６ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；３０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。
実施例８は、焼結助剤の出発組成をＹ２Ｏ３；３．８ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；３０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４４、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．４ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。【００４１】
さらに、実施例９は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；２．２ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；２．３ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９７５℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４２、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．１ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２５℃／Ｗがそれぞれ得られた。
実施例１０は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；２．２ｍｏｌ％、Ｙ２Ｏ３；２．４ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．４１、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；６．１ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２５℃／Ｗがそれぞれ得られた。【００４２】
これに対し、比較例１は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；２．２ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；２．３ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９７５℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；３０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．９０、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；２．７ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；９．０ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；４３Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．３０℃／Ｗがそれぞれ得られた。比較的多量のβ型窒化珪素粉末を添加し、焼結温度が１９７５℃、焼結時間が３０Ｈｒという比較的高温で長時間の焼結条件により焼成したことにより、添加したβ型窒化珪素粉末粒子を核として、面内方向への柱状粒子の成長が促進されたため面内配向度ｆａが高くなった。その結果、厚さ方向の破壊靭性を高くすることができたが、面内方向の破壊靭性が極端に低くなり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。また、面内配向度ｆａが高いため、厚さ方向の熱伝導率も低い値となり、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗も高い値となってしまった。【００４３】
比較例２は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．６ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．６ｍｏｌ％、ＭｇＯ；１３ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９７５℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；３０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．８８、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；３．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；９．０ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；５２Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．３０℃／Ｗがそれぞれ得られた。比較的多量のβ型窒化珪素粉末を添加し、高温で焼成したことにより、面内配向度ｆａが高くなり、厚さ方向の熱伝導率も低い値となり、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗も高い値となってしまった。【００４４】
また、比較例３は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｙ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；１０ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９００℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；５質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．３８、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；５．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１３０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。比較的少量のβ型窒化珪素粉末を添加し、また、比較的低温で短時間で焼成したことにより、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００４５】
比較例４は、焼結助剤の出発組成をＧｄ２Ｏ３；２．３ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．３５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；５．４ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１１０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。β型窒化珪素粉末を添加せずに、またＬｕ２Ｏ３を添加しなかったことにより、高温での液相の生成量が少なく、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００４６】
さらに、比較例５は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；０．２ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；０．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；０．９ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．１５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．８ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．７ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１１５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。β型窒化珪素粉末を添加せずに、また焼結時間も比較的短いため、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００４７】
比較例６は、焼結助剤の出発組成をＹ２Ｏ３；１．９ｍｏｌ％、ＭｇＯ；２２ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９５０℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．３２、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．０ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；５．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；１１０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。比較例４と同様の理由で、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００４８】
また、比較例７は、焼結助剤の出発組成をＹ２Ｏ３；１．９ｍｏｌ％、ＭｇＯ；２２ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１８５０℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．１１、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．７ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；５．６ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。β型窒化珪素粉末及びＬｕ２Ｏ３を添加せずに、また、焼結条件も比較的低温で短時間であるため、焼成時の液相の生成量が少なく、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００４９】
比較例８は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；２２ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９７５℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；３０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．８５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；３．０ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；８．２ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；６０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；合格（○）、熱抵抗；０．２５℃／Ｗがそれぞれ得られた。比較例１と同様の理由で面内配向度ｆａが高いため、厚さ方向の熱伝導率も低い値となり、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗も高い値となってしまった。【００５０】
さらに、比較例９は、焼結助剤の出発組成をＧｄ２Ｏ３；２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９００℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．１３、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；３．８ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．３ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。Ｌｕ２Ｏ３を添加せずに、また、β型窒化珪素粉末の添加量も比較的少量であり、さらには、焼結条件も比較的低温で短時間であるため、焼成時の液相の生成量が少なく、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００５１】
比較例１０は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９００℃、時間を５Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．１５、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．０ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．５ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９０Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。β型窒化珪素粉末の添加量が比較的少量であり、さらには、焼結条件も比較的低温で短時間であるため、焼成時の液相の生成量が少なく、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００５２】
比較例１１は、焼結助剤の出発組成をＬｕ２Ｏ３；１．１ｍｏｌ％、Ｇｄ２Ｏ３；１．２ｍｏｌ％、ＭｇＯ；７ｍｏｌ％とし、焼結条件を温度１９７５℃、時間を３０Ｈｒ、β型窒化珪素粉末添加量；１０質量％として焼結を行った。その結果、図６に示すように、面内配向度ｆａ；０．３１、面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；４．１ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ；５．４ＭＰａｍ１／２、厚さ方向の熱伝導率；９５Ｗ／ｍ・Ｋ、信頼性評価；不合格（×）、熱抵抗；０．２０℃／Ｗがそれぞれ得られた。ＭｇＯの添加量が比較的少なく、かつ焼結条件が比較的高温で長時間であるため、焼結時にＭｇＯの揮発量が多く、焼成時の液相の生成量が少なく、粒成長が抑制されたため、面内配向度ｆａが低くなり、厚さ方向の破壊靭性が低い値となり、ヒートサイクル試験により窒化珪素基板にクラックが発生した。【００５３】
以上のように、実施例１〜３については、β型窒化珪素粉末を５〜１０質量％添加し、さらにはＬｕ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％添加し、１９５０℃で焼成することによって、焼結時に多量の液相が生成し、添加したβ型窒化珪素粉末粒子を核として、面内方向への柱状粒子の成長が適度に促進されたため面内配向度ｆａは０．４〜０．８となった。
また、実施例４のように焼結温度が１９００℃と比較的低温でもβ型窒化珪素粉末を４０質量％と十分に添加し、さらにはＬｕ２Ｏ３を１．５ｍｏｌ％添加することで、面内配向度ｆａは０．４以上の高い値となった。
また、実施例６〜８のようにＬｕ２Ｏ３の添加量が０〜０．４ｍｏｌ％と少ない場合でも、１９５０℃の高温で３０〜５０Ｈｒの長時間焼成することで、面内配向度ｆａは０．４以上の高い値となった。
また、実施例５、９、１０のようにβ型窒化珪素粉末の添加量が０〜５質量％と比較的少ない場合でも、Ｌｕ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％以上添加し、さらには３０Ｈｒ以上の長時間焼成することによって、面内配向度ｆａは０．４以上の高い値となった。【００５４】
面内配向度ｆａが０．４〜０．８である実施例については、いずれも、厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃが面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃより大きく、６．０ＭＰａｍ１／２以上の厚さ方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ、３．０ＭＰａｍ１／２以上の面内方向の破壊靱性Ｋ１Ｃ、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の厚さ方向の熱伝導率が得られた。【００５５】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】β型窒化珪素粒子の格子面を説明するための概念図である。
【図２】実施例及び比較例の製造条件及び窒化珪素基板における助剤組成の一例を示す図である。
【図３】グリーンシートの外観構成を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る窒化珪素基板の粒界相のＸ線回折結果を示す図である。
【図５】破壊靭性の評価方法を説明するための概略図である。
【図６】実施例及び比較例の評価結果の一例を示す図である。
【図７】面内配向度ｆａが約１である窒化珪素基板の概略断面図である。
【図８】面内配向度ｆａが約−１である窒化珪素基板の概略断面図である。
【図９】半導体モジュールにおいて窒化珪素基板にクラックが発生する様子を説明するための概念図（側面断面図）である。
【符号の説明】
【００５７】
１，２，３１  窒化珪素基板
３  半導体モジュール
３２  金属回路板
３３  金属放熱板
３４  窒化珪素配線基板
３５  半導体素子
４  β型窒化珪素粒子
６  グリーンシート
６１  β型窒化珪素粒子
６２  α型窒化珪素粒子
【図１】
0005245405.tif 000002
【図２】
0005245405.tif 000003
【図３】
0005245405.tif 000004
【図４】
0005245405.tif 000005
【図５】
0005245405.tif 000006
【図６】
0005245405.tif 000007
【図７】
0005245405.tif 000008
【図８】
0005245405.tif 000009
【図９】
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